基于安時(shí)積分法與開路電壓法估測電池SOC

續(xù)遠(yuǎn)

（南京工程學(xué)院 電力工程學(xué)院，江蘇 南京 210000）

0 引言

隨著電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)的興起，電動(dòng)汽車的電池安全問題引起了人們的廣泛關(guān)注。鋰電池以其高能量密度、高工作電壓、高比能、低污染、低自然放電速率和無記憶效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用作電動(dòng)汽車的電源。電池荷電狀態(tài)（State of Charge，SOC）是電池使用過程中的重要參數(shù)，同時(shí)也是用來診斷電池健康狀況、判斷電池是否過充放電等的重要依據(jù)之一。因此，鋰電池SOC值的精確估算對于延長電池壽命、提高電池安全性至關(guān)重要[1]。

目前，國內(nèi)外常用的電池SOC估計(jì)方法主要有：開路電壓法、內(nèi)阻法、線性模型法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、卡爾曼濾波法等。而在各類估算方法當(dāng)中，安時(shí)積分法由于不考慮電池內(nèi)部復(fù)雜的電化學(xué)反應(yīng)，直接通過負(fù)載電流的積分估計(jì)電池SOC，易于實(shí)現(xiàn)，應(yīng)用最為廣泛。

本文主要針對安時(shí)積分法不能確定電池SOC初始值和開路電壓法需要長時(shí)間靜置處理電池的問題，利用一種安時(shí)積分法與開路電壓法相結(jié)合的方法精確快速地估計(jì)電池SOC值。

1 SOC的定義

在進(jìn)行電池SOC值的估計(jì)之前，需要對電池SOC有一個(gè)準(zhǔn)確的定義。目前國內(nèi)外比較統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)是，電池的荷電狀態(tài)即SOC被用來反映電池的剩余容量狀況，其數(shù)值上定義為電池剩余容量占電池容量的比值：

其中： 為電池剩余容量，為電池以恒定電流I放電時(shí)所具有的能量。

如果以放出的電量 來求SOC值，則定義可表示為：

其中：SOC=1時(shí)表示為電池充滿電狀態(tài)，SOC=0時(shí)則表示電池為全放電狀態(tài)。

2 安時(shí)積分法原理及特性

安時(shí)積分法是眾多電池SOC值估計(jì)方法中最常用的一種方法。其工作原理如下：

假設(shè)電池充放電的起始狀態(tài)為SOC0，那么當(dāng)前狀態(tài)的SOC為：

由上式可以看出，安時(shí)積分法估計(jì)電池SOC值，不僅需要測量電池充放電電流大小，還需要得到電池初始SOC值。而安時(shí)積分法本身是不能確定電池初始SOC值的，因此可能產(chǎn)生較大誤差[2]。

3 開路電壓法原理及特性

由于電池的開路電壓在數(shù)值上近似等于電池的電動(dòng)勢，而電池在其性能完全穩(wěn)定時(shí)，它的荷電狀態(tài)與它的開路電壓在一定范圍內(nèi)有線性關(guān)系，且這種線性關(guān)系受到溫度和電池老化因素的影響很小，所以在電池充放電的初始時(shí)刻，可以通過檢測電池兩端的開路電壓得到電池的初始SOC。則：

開路電壓法的缺陷是電池需要長時(shí)間靜置來達(dá)到電壓溫度狀態(tài)，只適用于電動(dòng)汽車駐車狀態(tài)，但其在電池充放電的初期對電池SOC值的估計(jì)效果較好。

4 安時(shí)積分法與開路電壓法相結(jié)合估測電池SOC的原理

開路電壓法很難單獨(dú)對電池SOC值進(jìn)行動(dòng)態(tài)估計(jì)，但是可以較精確地得到電池初始SOC值。安時(shí)積分法雖然可以實(shí)時(shí)估計(jì)電池SOC值，但不易得到精確的電池初始SOC值。因此考慮將安時(shí)積分法與開路電壓法結(jié)合起來，前者用于SOC值實(shí)時(shí)估計(jì)，后者用于精確地估計(jì)初始SOC值。下面，給出一套安時(shí)積分法與開路電壓法相結(jié)合估計(jì)電動(dòng)汽車電池SOC值的流程圖：

由于使用開路電壓法要求電池必須達(dá)到充分靜置，因此可以根據(jù)電池達(dá)到充分靜置所需的時(shí)間X與SOC的關(guān)系，來判斷是否可以使用開路電壓法，X是指從電池停止放電時(shí)刻起到電池端電壓的上升率小于1mV/min止所經(jīng)歷的時(shí)間。算法中，若停車時(shí)間大于X，說明此時(shí)電路的開路電壓OCV達(dá)到穩(wěn)定，可以反映此時(shí)電池的SOC，于是我們通過OCV的值來校正初始SOC的值[3]。若停車時(shí)間不大于X，則說明此時(shí)電路的開路電壓OCV還未達(dá)到穩(wěn)定，于是我們采用上次停車時(shí)刻的SOC值作為初始SOC的值。

算法中的圖2為電池達(dá)到充分靜置所需時(shí)間X與電池SOC的關(guān)系曲線圖，圖3為電池OCV與SOC的關(guān)系曲線圖。兩者皆需要通過實(shí)驗(yàn)來獲得。

5 實(shí)驗(yàn)

以3.7V/12Ah鋰電池單體為實(shí)驗(yàn)對象，在室溫下進(jìn)行以下兩項(xiàng)實(shí)驗(yàn)：①測量電池達(dá)到充分靜置所需時(shí)間X與電池SOC的關(guān)系；②測量電池充分靜置后OCV與SOC的關(guān)系[4-5]。

實(shí)驗(yàn)①步驟：

（1）鋰電池的實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備。在室溫下，對電池進(jìn)行恒流2.4A（0.2C）充電，充電截止電壓為4.2V，并靜置10小時(shí)（默認(rèn)此時(shí)電池SOC為100%）。

（2）電池恒流放電過程。用恒流2.4A（0.2C）定容量（電池SOC的10%）對電池進(jìn)行放電，觀察并記錄下電池停止放電時(shí)刻起到電池端電壓的上升率小于1mV/min止所經(jīng)歷的時(shí)間，然后對電池重復(fù)恒流定容量放電，直到電壓達(dá)到放電截止電壓2.5V。

（3）繪制并擬合電池達(dá)到充分靜置所需時(shí)間X與電池SOC的關(guān)系曲線圖。

實(shí)驗(yàn)②步驟：

實(shí)驗(yàn)②將實(shí)驗(yàn)①改為放電，并記錄電池開路電壓OCV即可。

下面給出使用matlab擬合的兩曲線圖：

6 結(jié)語

本文分析了安時(shí)積分法與開路電壓法的優(yōu)缺點(diǎn)，并利用其各自的特性，提出了一套安時(shí)積分法與開路電壓法相結(jié)合的電池SOC估算方法。理論上優(yōu)化了安時(shí)積分法不能確定SOC初始值和開路電壓法耗時(shí)長的問題。對估算鋰電池的荷電狀態(tài)具有一定的參考價(jià)值。